2008 ub sabater

EL BOSC DE RIBERA, ENTRE LA CONCA I EL RIU

Francesc Sabater Departament d’Ecologia Universitat de Barcelona

Perspectives en ús de l’aigua als ecosistemes terrestres 25 Novembre 2008

V Jornada CREAF-SCB-ICHN

Defining Riparian zones:

Zone of influence Stream Corridor

(1) Riparian areas are transitional between terrestrial and aquatic ecosystems are distinguished by gradients in biophysical conditions, ecological processes, and biota.

They include those portions of terrestrial ecosystems that significantly influence exchanges of energy and matter with aquatic ecosystems (i.e., a zone of influence)...

They are areas through which surface and subsurface hydrology connect water bodies with their adjacent uplands.

(1) source: National Research Council; USA

Surface and Subsurface hydrology connections

Fluxes d’aigua del freàtic (groundwater sources) Fluxes d’escolament a través del subsol de la conca (subsurface flow) Fluxes d’escorrentia superficial (overland flow) Fluxes de recàrrega fluvial: hiporreica i superficial (channel sources)

Riparian Upland

Mesic Regions

Riparian

Xeric Regions

Connexions hĂ­driques: (channel sources)

Active channel

Gaining reach

Riparian

Upland

Active channel

Losing reach

Objectives: A Does the riparian groundwater compartment regulate the stream discharge?

1. Analysing the relationship between Rain inputs and Runnoff fluxes and the source of its variability 2. Description of hydrologic interactions between stream water and the riparian groundwater compartment

B

Have Mediterranian riparian zones enough buffer capacity to retain nitrogen from diffuse sources?

3. Role description of riparian zones to retain diffusing nitrogen loads 4. Annual mass-balance of nitrogen to estimate the buffer capacity of the riparian zone in “Riera de Fuirosos�

Conca de la Riera de Fuirosos (Montnegre)

Clima Mediterrani (estius secs, hiverns suaus).

Temperatura mitjana: 3º (Gener) – 24º (Agost) Precipitació mitjana anual (30 anys): 750 mm < 70 dies any -1 Conca Àrea: 16.5 km2 Granítica: (leucogranit + granodiorita) Forestada (Quercus ilex; Q. suber i Pinus pinea)

Riera Fuirosos (3è ordre): règim intermitent

Fuirosos Stream Watershed Recerca des del 1998 sobre: El paper del bosc de ribera Respostes hidrogeoquímiques Inferir les càrregues de nutrients Mesures de retenció de nutrients

N E

W S

Deciduous (14 %) Oak (45.4 %) Coniferous (38.7 %) Agriculture (1.2 %) Grassland (0.6 %) Urban (0.1 %)

Transition

Wet

Vegetative

Drought

(October)

(February)

(April)

(June)

1998-1999

1999-2000

2000-2001

2001-2002

Q (L/s)

104

537 mm

473 mm

682 mm

838 mm

103 102 101 10 12 2 4

6

8 10 12 2

4

6

8 10 12 2

4

6

8 10 12 2 4

TRANSITION AUTUMN WET SPRING VEGETATIVE SUMMER DROUGHT Summer drought: Runoff / rainfall:

6

8

Time (months)

81 days 10%

73 days

75 days

0 days

8%

14%

26%

200

15 0

Discharge (L/s)

10 0

50 0 o n d e f ma m

a s o n d e f ma m

a s o n d e f ma m

a s o n d e

70 60 pluja (m m )

50 40 30 20 10 0

70

120

60

100

50

80

40

60

30

40

20

20

10 0

0

D è ficit h íd ric d el s ò l (m m )

p lu ja efec tiv a (m m )

o n d e f m a m j j a s o n d e f m a m j j a s o n d e f m a m j j a s o n d e

σ ∼ f(?)

1:1

HERx = (Px-Ix) - SMDx-1 – AETx

if (Px-Ix) > SMDx-1 +AETx

HERx = 0 if (Px-Ix) < SMDx-1 +AETx HER : Hydrologically Effective Rainfall SMD: Soil Moisture Deficit AET : Actual Evapotranspiration P : Precipitation I : Rainfall Interception

Runoff flux

o n d e f mam j j a s o n d e f mam j j a s o n d e f mam j j a s o n d e

Storage+ET σ Rain flux

Hydrological responses: during Wet Period: 1:1

106

(m3 event-1)

104

Runoff Flux

105

102

r2 = 0.84 ; d.f.=31; p<0.001

103

Ď&#x192;

10

November - May

1 10-1 104

105

Rain Flux

106 (m3 event-1)

5 106

Hydrological responses:

Summer and early autumn period 1:1

106

Runoff Flux

(m3 event-1)

105

r2 = 0.26 ; d.f.=46; p<0.05

104 103

Ď&#x192;

102 10

June - October

1

?

10-1 104

105

Rain Flux

106 (m3 event-1)

5 106

1:1

105

105 (m3 event-1)

106

104 103 102 10 1 10-1 104

10 L 105

Rain Flux

m-2

106 (m3 event-1)

5 106

Runoff Flux

Runoff Flux

(m3 event-1)

1:1

106

104 103 102 10

30 L m-2

1 10-1 104

105

Rain Flux

106

5 106

(m3 event-1)

Elevada variabilitat en les repostes de “Runnoff fluxes” per una mateixa precipitació

Wet Period Summerâ&#x20AC;&#x201C;Autumn Period

event-1)

(m3

Runoff Flux

1:1

106 105 104 103 102 10 1 10-1 4 10

105

Rain Flux

106 5 106 -1 event )

(m3

Riparian Groundwater level Stream water level Summer- early autumn period

-10 -30 -50 -70

Wet period

Wet period -90 -110

4/4

30/1

26/11

22/9

19/7

15/5

11/3

5/1

-130

Relació causa-efecte entre el volum d’aigua freàtica a la zona de ribera i l’evapotranspiració.

Transpiració (L/ m2dia)

LAI (m2/m2)

6 LAI Caiguda de

4

Nivell freàtic

- 20 - 40

fulles a l’estiu

- 60 3 - 80

Transpiració

2

-100 1

-120

PRIMAVERA

Summer (dry period)

Autumn (Transition Period)

La disponibilitat de l’aigua freàtica condiciona la productivitat dels arbres de ribera i el cabal fluvial

Nivell freàtic (cm)

Rª Fuirosos (Montnegre)

Connexions hídriques: (channel sources) ET

ET

Nivell freàtic

Overland flow

Primavera

Estiu

Tardor

(flux reversible)

En períodes d’eixutesa estival, el volum d’aigua transpirat és d’una magnitud molt similar a la disminució diària del nivell del freàtic.

Durant l’ESTIU l’aigua circulant pel riu recarrega l’aqüífer de la ribera; i en conseqüència, el cabal disminueix notablement, fins el punt que el sistema fluvial esdevé temporal.

En una parcel.la de 1000 m2 de bosc de ribera a la Riera de Fuirosos (de 1380 peus/ha), la taxa promig de transpiració estimada és de 3800 litres /dia (En òptimes condicions de llum i de disponibilitat d’aigua, la franja de vegetació de ribera d’uns 100 m lineals de la Rª de Fuirosos transpira uns 5000 litres diaris)

100

8 10 12 2 4 6 8 10 12 2 4 6 8 10 12 2 4 6 8

10

80

20

Air temperature (ยบC)

30

Air temperature

Q (m3/s)

40

r2 = 0.54, p <0.0001

3-year period

1 0.1 0.01

20 10 12 2

10

0.15

0

0

Soil moisture deficit

20

4

6

8 10 12 2

4

6

8 10 12 2

4

6

8

r2 = 0.67, p <0.01

DRY

0.10

0.05

40

0.00

60

10

80

50

10

Q (m3/s)

30 20

11

12

1

2

3

4

5

6

7

8

9

r2 = 0.62, p <0.01

WET

Hydrologically effective rainfall

40

HER (mm)

INCA simulation

60

0

SMD (mm)

Measured

Rainfall

Q (m3/s)

Rainfall (mm)

120

1 0.1 0.01

10 0 8 10 12 2 4 6 8 10 12 2 4 6 8 10 12 2 4 6 8

9

10

11

12

1

2

3

4

5

6

7

8

Rain

ET

Soil

Diffuse Runoff

Soil Runoff

Storage

Stream

Groundwater Grw. Runoff

Export

Does the riparian compartment should be included in a watershed-hydrology modelling?

STUDY SITE

Riparian section view:

Hillslope Line 4

Riparian zone

5 Line 3

3

0.38<ks<0.85

Line 2

Soil+ Gravel

meters

1

Line1

Stream

0.002< ks <0.007

-1

0.5< ks <0.8 0.0004< ks <0.001

-3

Gravel

0.12< ks <0.45

-5

0.05< ks <0.12

Meteorized bed rock -7

Granite bed rock -9 20

16

12

8

4

0

Distance from the stream channel (m)

-4

-8

STUDY SITE

down-stream

up-stream

stream 0

Distance from stream (m)

15

stream edge zone

16

14 13 12

5

25

11

23

26

mid zone

24

22 21

10

36

35 33

34

32

31

hillslope zone

15 42 41

43

44

45 46

20

Agricultural field Agricultural field Stream water Ground water well Stream water pressure sensor Stream flow direction

0

1

2

3

Ground surface elevation above datum (m)

4

Conceptual model Rain

ET

Winter-spring scenario (wet period)

Soil

Diffuse Runoff

Soil Runoff

Percolation

Riparian groundwater

Groundwater

Stream

Grw. Runoff

Riparian groundwater:

Runoff Flux (m3 event-1)

Export

Export

1:1

Rain Flux (m3 event-1)

The wet period:

30

(The Groundwater recharge period)

-10 -30 -50 -70 -90 -110

98

00

29/4

23/2

20/12

16/10

12/8

8/6

4/4

30/1

22/9

19/7

15/5

11/3

5/1

99

26/11

Groundwater near-stream level Stream level

1/11

28/8

-130 24/6

Water level (cm)

10

01

time 13/12/99 24

Near-Stream zone

m

18

12

6

Hillslope zone

0

Groundwater mixing front 0

8

16

24

32

m

40

48

56

Conceptual model Rain

ET

Summer scenario

Soil

Diffuse Runoff

Soil Runoff

Percolation

Groundwater

Stream

Riparian Grw. Runoff

Riparian groundwater:

Runoff Flux (m3 event-1)

Export 1:1

Rain Flux (m3 event-1)

30 10 -10 -30 -50 -70 -90 -110

00

29/4

23/2

20/12

16/10

12/8

8/6

4/4

30/1

22/9

19/7

15/5

11/3

5/1

1/11

99

26/11

98

28/8

-130 24/6

Water level (cm)

The dry period:

01

time

Groundwater near-stream level Stream level

Stream flow

August:

24

m

18

12

6

Groundwater mixing front

0 0

8

16

24

32

m

40

48

56

Conceptual model Rain

ET

transition period scenario

Soil

Diffuse Runoff

Soil Runoff

Percolation

Groundwater

Stream

Riparian Grw. Runoff

Export

Runoff Flux (m3 event-1)

Riparian groundwater:

Export

1:1

Rain Flux (m3 event-1)

The transition period: (The stream recharge period)

30 10

Water level (cm)

-10 -30 -50 -70 -90 -110

Groundwater near-stream level Stream level

99

00

29/4

23/2

20/12

16/10

12/8

8/6

4/4

30/1

22/9

19/7

15/5

11/3

26/11

98

5/1

1/11

24/6

28/8

-130

01

time October

24

Near-Stream zone

m

18

12

6

Hillslope zone

0

Groundwater mixing front 0

8

16

24

32

m

40

48

56

Modelling the non-linear hydrological behaviour of a small Mediterranean forested catchment Medici,C. et al. 2008

A semidistributed model of a series of five connected water tanks, with spatial variability according to the local lithology An additional tank representing the riparian zone was included, which gave the best fit Nashâ&#x20AC;&#x201C;Sutcliffe efficiency index.

Without riparian compartment

Including riparian compartment

Medici,C. et al. 2008

Fuirosos

Alluvial zone (2.1 %) Biotitic granodiorite (21.1 %) Leucogranite (50.9 %) Sericitic schists (23.5 %) Slates, lidites and limestones (2.1 %) Slope alluvium (0.3 %)

N E

W S

70-150 m

2900 m

Alluvial zone

Fuirosos

Grimola 1

0

1 km

Fuirosos : 10.5 km2 Grimola: 3.5 km2

Grimola

Fuirosos storm events Fuirosos September storm events 1000

Grimola storm events Grimola September storm events

r2 = 0.7, p < 0.0001

Runoff (mm)

100 10

1:1

1 0.1 0.01 0.001

r2 = 0.78, p < 0.0001

0.0001 10

100

Rainfall (mm)

Grimola

(A) Conclusions: • Existeix una relació causa-efecte entre el volum d’aigua del freàtic riparià i la evapotranspiració de la zona de ribera • Les variacions de nivell d’aigua en el compartiment riparià responen a les variacions de cabal fluvial i viceversa • La disponibilitat d’aigua en el compartiment riparià explica el grau de dispersió que hi ha en la relació entre els fluxes d’escolament fluvial i la magnitud de les precipitacions • La inclusió d’un nou compartiment riparià dins dels models hidrològics de conca fa millorar el resultat de les simulacions del cabal fluvial.

B

Have Mediterranian riparian zones enough buffer capacity to retain nitrogen from diffuse sources?

3. Role description of riparian zones to retain diffusing nitrogen loads 4. Annual mass-balance of nitrogen to estimate the buffer capacity of the riparian zone in â&#x20AC;&#x153;Riera de Fuirososâ&#x20AC;?

La zona de ribera com a “filtre” de nutrients Flux de nitrat sub-superficial Flux de nitrat superficial (1)

2-10 mg N2O-N /m2 /day

nitrat Zona aeròbica

assimilació

desnitrificació

Nivell de la taula d’aigua Zona anaeròbica

(1) Haycock et al. 1993

Nitrate

Annual export

S. Bernal, Butturini, A. and F. Sabater. 2002. Variability of DOC and nitrate responses to storms in a small Mediterranean forested catchment. HESS 6 (6), 1031-1041.

RÂŞ de Fuirosos (Montnegre)

NICOLAS (EU project)

Efici猫ncia en la retenci贸 de nitrats:

Balanç de Nitrogen a la zona ripariana de la Riera de Fuirosos (Montnegre) 20 m m gN 0.7 n Rai

2

Riparian forest (NPP ~ 300 g C m-2 yr-1)

y-

(~ 16 years old)

1

nitrate WATERTABLE

3.5 g

N m -2

Bed ro

ck

in

gf g N low m -2 y1

y -1

Tree uptake

Groundwater

Dades obtingudes entre 1998 i 2000 dâ&#x20AC;&#x2122;una comunitat mixta de Alnus glutinosa + Platanus hybrida en una parcela de 1000 m2

<0.01 g N m-2 y-1

7.6

Natural N2O Emission

11 g N m-2 y-1

Lea ch

Leaf fall

S o il

5 g N m-2 y-1

Field crop

Stream 5.8 mg N m-2 y-1

Inferring Nitrate sources through EMMA:

C

[NO3-N] Predicted =

ÎŁ ( P [NO -N] ) i

3

i

i =A Pi : proportion of water from the end-member i [NO3-N]i : median NO3-N concentration at the end-member

Streamwater NO3-N (mg/l) Observed- Predicted

94 % of the time 49 % NO3-N export

Hydrological year 2000-2001

6 % of the time 51 % NO3-N export NITRATE DEPLETION

4

76 L /s

3 2

release

1

Obs = Pred

0

retention

-1 -2 101

102

103

104

Q (L /s)

(B) Conclusions 1. La major proporció de la càrrega de NITRATS en aigües fluvials procedeix de l’escolament superficial i sub-superficial durant les crescudes (~ 80%).

2. La desnitrificació a les zones de ribera de la regió mediterrània és insignificant (a la Rª de Fuirosos és <0.01 g N m-2 any-1) comparat amb els fluxes d’emissió que es donen a les zones riparianes humides del Centre-Europa (>0.1 g N m-2 any-1).

3. El balanç de nitrogen de la zona de ribera de la Rª de Fuirosos explica que només un 35% de les entrades difoses de nitrats són assimilades per la vegetació ripariana 4. Per tant, la capacitat neta de retenció de nitrats dels boscos de ribera de la zona mediterrània és força reduïda i només és dóna quan hi ha acumulació de biomassa ripariana 5. La retenció efectiva de nitrats a nivell de tota la conca de Fuirosos només es dóna a cabals per sota dels ~100 L/s

Gràcies per la vostra atenció

Francesc Sabater Departament d’Ecologia Universitat de Barcelona

Perspectives en ús de l’aigua als ecosistemes terrestres

Descomposici贸 de la fulleraca i el retorn dels nutrients al s貌l de ribera Nitrogen Carboni Taxa de descoposici贸 de la fulleraca del Platanus: 0.36 any-1 Fulles de Platanus Nitrogen

Carboni

Fulles de Vern

Taxa de descoposici贸 de la fulleraca del Vern: 1.13 any-1

Varibilitat en la caiguda de fulles (a la Rª de Fuirosos)

(Platanus x hispanica)

Producció de fulles: ~ 580 g /m2 yr (60% de Plàtan i 40% de Vern)

(Alnus glutinosa)

MODEL INPUT DATA

Hydrological model input

HERx = (Px-Ix) - SMDx-1 - AETx

if (Px-Ix) > SMDx-1 +AETx

HERx = 0

if (Px-Ix) < SMDx-1 +AETx

Transition period (summer and early autumn) Rain

ET

Diffuse Runoff

HER : Hydrologically Effective Rainfall SMD: Soil Moisture Deficit AET : Actual Evapotranspiration P : Precipitation I : Rainfall Interception

Soil Runoff

Soil Percolation

Near-Stream Grw.

Grw. Runoff

Export

Stream

Direct interception by the stream and near-stream zone (Area = 8 %)